基于WIFI定位的电子学生证的研制

基于WIFI定位的电子学生证的研制

吴巧

(安徽师范大学安徽芜湖241000)

摘要：针对当今学生安全热点问题，提出一种基于WIFI定位的电子学生证的研制方案。给出基于WIFI无线定位电子学生证管理系统的整体架构与通信过程，该电子学生证基于无线局域网，多层次式结构，集多种工作模式于一体，实现对学生的实时管理、跟踪，提高了学校或监护人的管理监控水平。

关键词：电子学生证；WIFI；管理监控水平；

中图分类号：TN926+.24文献标识码：B

收稿日期：2014-10-11

作者简介：吴巧(1991-)，女，安徽师范大学物理与电子信息学院。

近年来各学校经常有学生遭校外不明人士侵害及意外失踪等案件，诸多事故的一再发生更加提醒人们校园安全防护的重要性。唯有加强校园管理，确保学生的生活和学习安全，才能让学生监护人安心、校方进行正常教学，这是建立学生良好学习环境的重要前提和提升整体安全的重中之重。电子学生证结合学校安防可有效提升校园的整体管理效力和安全质量。每一电子学生证具有唯一的EPC(Electronic Product Code)号，学生通过校门时自动进行身份识别，准确记录学生的进、出校时间，杜绝教学无关人员进入学校，避免各种危险事件的发生，确保学校教育安全有序进行。利用WIFI定位技术智能化的管理学生是一种较为新颖的理念，是科学技术发展管理创新的一种新模式[1,2]，以互联网、物联网为媒介，运用WIFI无线通信、无线定位、自动控制和多媒体监控等多种技术，实现了学生证管理的高度自动化和智能化，将学生管理、家庭监护、社会安防整合在一起，使校方、学生及学生监护人形成多种形式的信息交互。本文基于无线WIFI网络，研究和设计一种基于WIFI定位的电子学生证，为实现校园出入管理、学校安防监控、教务管理、智能考勤等的高度信息化提供一种可行方案。

1整体架构

本网络系统可分为定位应用层、网络层和终端设备层三个层次,如图1所示。

(1)定位应用层：安装有定位服务器软件，主要用于请求命令的接收及响应和定位数据分析处理。应用程序接收并分析定位请求原命令，再处理成目标定位命令，该层次与经验数据库相连，数据库表包括热点定位表、采样信息表、滤波处理后的信息表、定位信息表等，应用程序结合经验数据库按相关算法分析计算出现场定位目标的位置。

(2)网络层：连接定位应用层和终端设备的通信设施，包括网络控制器、数据交换处理节点、通信线路及信息采集设备等。AP(Access Point)采用2.4GHz频段，支持802.11b/g模式，在控制范围内采集电子学生证或腕带标签的信息，传输到后端的服务器管理中心。

(3)终端设备层：客户端与服务端之间，能以人机交互或会话方式进行数据交换，并经通信设施或网络向服务端输入数据或接收计算机输出处理位置信息的设备。通常，终端设备设置在能利用网络与远处服务器联接的方便场所，由通信接口控制装置和输入输出装置组合而成。手持移动终端或电子学生证作为无线数据采集模块随人身移动，WIFI设备通过对校内学生证的监测实现对学生的跟踪定位，以人机交互作用或会话方式显示在移动客户端或PC端。

2软件设计

2.1　客户端与服务端具体通信过程

每个电子学生证中的WIFI标签包含携带用户的个人详细信息，热点AP可监测一定范围内电子学生证，经交换机将学生证中的个人信息传送至服务器机组，考虑数据吞吐量和负载均衡问题，服务器机组分为请求响应服务器和定位服务器，高性能定位服务器分析计算出学生证的位置数据后存入数据库，汇集各种数据到信息中心机房；当需要对学生定位时，客户终端发送定位信息，服务端软件结合经验数据库分析处理以及经网络设施传送学生证位置信息到客户终端。

电子学生证客户端与服务端具体通信过程如图2所示，热点AP分布在学校的各楼层教室、校门口、校园等关键场所，位置固定不变，并向周围发射检测信号用于检测控制范围内是否存在电子学生证，学生证中包含唯一的EPC号。该系统工作时，客户移动终端和定位服务端连接Internet，采用标准的HTTP通信协议，预留额外的扩展空间，便于后期开发。该系统支持主动和被动定位方式，主动工作模式下，响应服务器采集程序通过AP侦测附近周围所有学生证EPC号和对应的RSSI(Received Signal Strength Indication)，处理并编码成命令数据(DATA_CMD)，传送到定位服务器，其中命令数据(DATA_CMD)中包含学生证EPC号、RSSI特征向量、A、B、C标志位、Star和OD起止标志字节等信息。定位服务器接收数据命令(DATA_CMD)，解码并结合经验数据库查询每个AP的坐标，更新定位标签的位置信息，运用相关的定位运算操作得到电子学生证位置估计位置命令(DATA_POS)，位置命令经响应服务器处理得到位置信息(MESS_POS)通过外部网络，发送到客户终端并显示，如图3所示。被动工作模式下，客户终端先发送定位请求(POS_Require)，然后响应服务器按指令采集并筛选待定位学生证EPC号，同理，通过整个定位过程获得待定位的学生证位置信息，如图4所示。

2.2　客户端

本系统客户端主要是移动手持终端。首先，Android系统手机占据市场主流，软件资源丰富，具有良好的开发性，代码开源性降低开发周期，且近些年Android系统手机在市场上占有率不断提高，所以移动手机终端采用基于Linux 平台的开源Android语言进行开发，其良好的开放性和丰富的API 接口，可以很方便地与已有网络通信和开发各种应用程序。手机移动终端Android 应用程序[3]包含多个不同的组件，组件之间可进行信息交互，基本组件主要包括 Activity、Service、BroadcastReceiver和 ContentProvider，及负责传递消息的Intent 组件，如图5所示。所有组件都应在应用程序工程的AndroidManifest.xml 文件中声明。AndroidManifest.xml 文件负责将整个Android 应用程序Activity、Service 等组件有机的组合。在应用中，一个 activity通常是一个单独的屏幕，即供用户操作的可视化界面。Service 是一段具有较长生命周期的程序，启动后一般一直处于运行状态，是运行在系统的后台进程，用来提供后台服务或数据处理。BroadcastReceiver 用于接收广播通知，并作出相应处理。ContentProvider 可为其他应用程序提供一些特定的程序数据。数据的存储方式多样，可以是 Android 文件系统或 SQLite 数据库，也可以是适合其他系统开发特定格式。

2.3　服务端

服务端[4-6]由服务器机组构成，服务器机组包括命令响应服务器和定位服务器；响应服务器是指驻留于因特网上某种类型服务计算机程序，主要用于对外通信，接收外界的请求，通过AP直接对电子学生证搜寻，经定位服务器数据处理后返回给客户端相应的位置信息；定位服务器是定位服务器机组的核心，承载着命令接收和大量数据的分析计算，定位服务器接收到响应服务器的处理命令后，创建一个新工作任务，保证数据的及时处理，定位服务器工作时需使用LBS(Location Based Services)指纹数据库[7,8]中的数据进行计算，主要涉及到数据的读写、存储，分析处理后将结果返回到响应服务器端，如图6所示。本服务端应用程序采用C#语言，以VS2010和SQL2008为平台进行开发，C#是一种简单、类型安全、面向对象的语言，支持Internet可编程结构。C#是.net的代表语言。编程便捷，提供标准数据库API接口，很好解决分布式问题。.net平台提供类型安全检查机制，代码方便移植。开发过程中通过ADO(ActiveX Data Objects)方式进行访问数据库，操作灵活，恢复管理性能好，可大大降低网络开销，避免死锁，实现异构平台间的互通。

3样机调试结果

通过样机调试基于WIFI定位的电子学生证具有良好的实用性和扩展性，WIFI智能终端产品已在生活中得到广泛的普及，且国内各大运营商和公司乃至部分家庭均已安装大量的热点，尤其是在各大城市学校等教育机构，通过现有的WIFI设施，可显著降低初期投资成本，实现预定目标，向网络化、智能化的方向发展，为电子学生证管理系统研究和推动LBS应用提供最佳的基础条件和保证。经调试，所研制的电子学生证样机达到以下效果：

(1)防破坏，自动报警。防破坏设计电子标签内置导电回路，有效防止破坏，电子学生证一旦折断，系统立即报警。

(2)EPC-MAC唯一，保密性能好。每个电子学生证具有唯一的EPC号，不会重复导致混乱。存储携卡人信息，增加独特算法密钥，避免因卡片丢失信息泄露。

(3)和校园一卡通服务结合，现金管理使用。实施校园“一卡通”，有效解决卡、证、票据数目繁多，手续复杂不便等问题，可在学生证中加入个人身份认证信息，不仅可作为现金卡供支付用，也可作为证件进行身份识便于进行统一管理。

(4)一键定位信息显示。家长需要定位电子学生证具体位置时，通过手机、web查看学生所在位置并由手机进行移动导航。

(5)历史跟踪。通过记录电子标签的位置，实现对跟踪目标的活动位置路线回放，轻松实现对目标行踪的实时控制。

(6)多方式定位。支持主动和被动定位方式，校门口安装无线AP，学生进出校门，采集到电子学生证信息便向家长和服务器发送短信进行提醒。用户也可通过移动客户终端发送命令查询当前电子学生证位置信息。

(7)兼容性强。兼容各种智能化终端设备，如智能手机、Pad、笔记本、台式电脑等都可以接入，提供不同环境操作系统客户端软件，方便用户使用。

(8)超低辐射绿色环保设计。电子学生证内置电源管理模块，无外部触发条件下，大部分功能自动进入休眠，降低能源消耗，减少对人体的电磁辐射。

4结语

本文研制的基于WIFI定位的电子学生证是一种利用现代网络通信技术实现校方管理和家长及时了解学生动向的教育平台，极大地提高了学校、学生及学生家长间的信息沟通能力。无线WIFI技术的使用节省了通信线路的连接、铺设工时，降低了建设周期。本文提出的一种电子学生证研究方案，不仅可用于学生定位和校园安防，还可应用用于社区安全监控，仓储物料管理，地下矿山探测等领域，灵活的构建层次使其具有更广阔的应用前景和发展空间。

参 考 文 献

[1]Paramvir Bahl and Venkata N. Padmanabhan. RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System. IEEE infocom,774-784,2000

[2]Kamol Kaemarungsi. Design of Indoor Positioning Systems Based on Location Fingerprinting Technique. Doctor’s Thesis.School of Information Science.University of Pittsburgh. 2005.

[3]雷地球,罗海勇,刘晓明.一种基于WIFI的室内定位系统设计与实现[J]. 中国科学院计算技术研究所,2010:2-4.

[4]雷家毅.Android基于WIFI的定位算法及系统设计[D].上海:华东理工大学,2013:41-45.

[5]金厚兵.基于WIFI定位的仓储物料管理系统研制[J].计算机工程应用技术,2013,9(7):1661-1664.

[6]马智亮,张东东,青舟.基于移动终端和既有信息系统的地铁工程施工现场物流管理系统[J].施工技术,2012,41(371):5-9.

[7]张利,周峰.基于WIFI定位系统的设计与实现[D],北京:北京邮电大学,2009:30-43.

[8]周薇,孙艳丰.一种高效的指纹库构建方法及其在WIFI定位中的应用[D],北京：北京工业大学,2013:21-25.

Design a Kind of Electronic Student ID Based on WIFI

WU Qiao

Abstract：A kind of electronic student ID card is designed for safety of students. This problem is a hot spot issue nowadays. The paper introduces the overall architecture and the communication process of a electronic student management system based on WIFI. The Multi layer electronic card is based on wireless local area network (LAN), integrating multiple modes of operations. The experiments show the system achieved the real time management, tracking, and improve the management level of school or monitoring of guarder.

Key words：electronic student ID card; WIFI; management level.